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1、.微带耦合线带通滤波器的综合设计滤波器的功能是用来分隔频率,即通过需要的频率信号,抑制不需要的频率信号。目前广泛采用原型滤波器设计法,所谓原型滤波器设计法就是以低通滤波器为原型,通过频率变换得到所需滤波器的电抗元件的值,然后再通过相应的器件将其实现。该方法应用了综合设计,并且设计过程规范,再结合微波CAD软件进行模拟,能克服理论分析精度低的缺点,并使设计周期缩短、设计成本降低。下面首先简略介绍带通滤波器的理论分析并得出计算公式,然后以一个带通滤波器为例子介绍结合微波CAD软件进行带通滤波器设计的整个过程。一、 低通滤波器原型：图1 低通滤波器原型电路一般用通带截止频率和阻带截止频率,及相对应的
2、衰减和来描述低通滤波器的性能,越小、越大、与越接近,性能就越好。L、C串、并联而成的梯形电路能够实现低通特性。要进行综合设计,就需要求出工作衰减L与电路各元件值的关系。n个L、C元件构成的低通网络,如图1,R0和Rn+1分别代表电源内阻和负载电阻,工作衰减L为: 1.1a d是低通网络a矩阵的四个参数,给定n的L、C低通网络的a矩阵等于相应n个L、C的a矩阵相乘。单独的串联L、并联C的a矩阵分别为：和 1.2计算表明,工作衰减LdB可以表达为1加上的2n次的一个偶次多项式： 1.3例如时, 1.4时,衰减为零,增加时,L增大,因而有低通特性。如果选取适当的函数做为滤波器的指标,则通过公式1.3
3、可以求出各元件的值。例如时设,则,并假定时,工作衰减,可求得,即,与公式1.4比较可求出,。观察公式1.2,和作为整体出现,等衰减条件下和的值应保持不变,即与成反比,与成正比,与、成反比,如果我们求出和时即归一化的和,通过变换,就能得到任意频率和内阻的L、C元件的值。由于切比雪夫函数具有较好的衰减频率特性,而且比较容易实现,所以常被采用。n代表元件的个数,n越大,滤波器性能越好,但网络就越复杂；根据和,及和通过查表可以确定最小的 n,然后可计算各个元件归一化的值,一般用表示,公式如下： 1.5 k=2,3,n 1.6 n为奇 n为偶 1.7 1.8 1.9k=1,2,3,n 1.10 k=1,
4、2,3,n 1.11二、 带通滤波器与低通原形的频率变换带通滤波器指标的描述：、为通带截止频率,对应衰减,、为阻带截止频率对应衰减,为通带中心频率,为相对带宽。低通滤波器的衰减是一个偶函数,考虑小于零时,低通滤波器可以看成是由到,为中心频率的带通滤波器,当然是没有负频率的,但从中可以看出低通与带通存在着联系,其对应关系如下：、及对应、及；、及对应、及；对应。通过下列频率变换可以由低通得到带通： 2.1图1变换成图2：图2 带通滤波器原型电路运用等衰减条件,对于低通串联电感有： 2.2式中 和 2.3低通并联电容有： 2.4式中 和 2.5这样就得到了带通滤波器各个元件的值。三、 带通滤波器的微
5、带实现微带电路通过K、J变换器能实现串并联的电路形式,如图3：图3 J变换器的等效电路一段长度接近的传输线,当终端接负载甚小于特性阻抗时,则线的作用相当于和一个电抗的串联,构成谐振电路。一段电长度为的终端开路的耦合线可等效为一个J变换器和接在两边的两段电长度为、特性导纳为的传输线的组合,如图4：图4开路耦合线等效电路选择为90度,将一系列耦合线级连后,形成J变换器和长度为传输线谐振电路的级连,可以看出它等效于图2中的原型电路,通过和带通滤波器原型电路中各元件值比较,可以求出耦合线的奇偶模阻抗、,再由工具软件根据、计算出耦合线的线宽和缝隙及长度,就能确定滤波器的尺寸,形式如图5：图5耦合线带通滤
6、波器省略公式推倒,公式如下： 3.1 3.2 i从1到n-1 3.3 3.4 3.5整个设计过程总结如下：根据滤波器的指标要求,查表确定滤波器节数n一般微波书都有,根据n和带内衰减由公式1.51.11或查表可求,然后通过公式3.13.5可以计算奇偶模阻抗,根据、就可以计算出微带滤波器的尺寸,完成微带滤波器的设计。四、 例子滤波器设计指标为：通带5000MHz6000MHz,带内衰减小于3dB,带外抑制大于30 dB,带外抑制频率、为4500 MHz和6500 MHz,介质基片的=2.8,厚度h=1mm。查表n最少需要5节,选5节；由于微带本身有损耗要增加衰减1dB 左右,所以尽量选得小以留有余
7、量,选0.2dB,由公式1.51.11,计算g为：,计算：,计算、：选主线阻抗,以上计算均按公式用计算机编程计算,这样能大大提高计算速度和精度。用Ansoft公司serenade软件中的工具软件TRL,根据、对耦合线进行综合得到第一节耦合线的尺寸：线宽W=1.682mm,缝隙S=0.092mm,这里有一个问题需要特别注意,在设计耦合滤波器时往往会遇到缝隙S很小的情况,这样光刻误差的影响要变大,有时S甚至小到工艺很难加工,这种情况应该避免,用阻抗变换的方法能部分解决这个问题,方法如下供参考：事实上,可以通过选择来改变、,线宽和缝隙也随之改变,所以选择适当的可以使S变大,如= 时重新计算有由于主线
8、的阻抗为50,所以滤波器中做要一段阻抗变换线来连接主线和滤波器：,p1=9.41mm,p2=9.26mm,p3=9.23mms1=0.188mm,s2=0.635mm,s3=0.863mmw1=0.935mm,w2=1.345mm,w3=1.404mm由于终端电容效应,p要减去大约0.33h,按传统设计此时就要下图生产实验件,然后根据实验件的实测对尺寸进行修整,由于理论分析的精度有限,往往要经过一两次试验才能成功,造成设计周期长,成本高,现在可以用微波CAD进行模拟完成尺寸调整,用serenade进行模拟,结果如图6：图6 滤波器频率响应曲线图可以看出一是中心频率略低5.477GHz,再有是通
9、带略小1GHz；由理论分析可知,减小p可以提高中心频率,减小S可以加宽通带频宽但影响阻带带宽,适当调整p和S后频率响应如图7：图7 调整后的滤波器频率响应曲线调整后的p和S如下：p1=9.0mm,p2=8.84mm,p3=8.82mms1=0.17mm,s2=0.62mm,s3=0.85mm根据以上尺寸就可以画出版图,版图如图8：图8实际投产的版图实测曲线如图9:图9滤波器实测频率响应曲线图指标为:带内最小衰减1.07dB频率4.745.056.026.45对应衰减29.983.473.1229.99滤波器实测指标是满足并高于原设计要求的。从上面设计过程中能够看出,按以上总结的公式编程计算并结合计算机辅助设计,可以大大加快设计进程,减少设计工作量,使设计比以前更快速、更容易。参考书目1清华大学编写组 微带电路 人民邮电出版社 19762林为干 微波网络 国防工业出版社 19783吴万春 微波网络及其应用 国防工业出版社 1980.
